OM Datenbanken. OM Datenbanken. 8.1 Was ist ein Datenbanksystem? Motivation

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1 1 Inhalt: Relationale Datenbanken 8.1 Was ist ein Datenbanksystem? 8.2 Relationale Datenbanksysteme 8.3 Abbildung des objektorientierten Modells auf Tabellen Was ist ein Datenbanksystem? Motivation Verschiedene Programme in einer Organisation (Unternehmen, Behörden) benötigen gemeinsame Daten Eigene Datenhaltung für jedes Programm bedeutet Mehrfacherfassungen Redundante Speicherung Gefahr inkonsistenter Datenbestände Datenbanksysteme ermöglichen die integrierte Verwaltung aller Daten in einer Organisation

2 3 8.1 Was ist ein Datenbanksystem? Architektur eines Datenbanksystems Programm 1 Programm 2... Programm n DBMS (Datenbankmanagementsystem) DD (Data Dictionary) DB 1 (Datenbank) DBn (Datenbank) DBS (Datenbanksystem) Was ist ein Datenbanksystem? Eigenschaften eines Datenbanksystems Persistente Speicherung der Daten Zuverlässige Verwaltung der Daten Unabhängige Verwaltung der Daten Komfortable Verwendung der Daten Flexibler Zugang zu den Daten Datenschutz Verwaltung großer Datenbestände Integrierte Datenbank Mehrfachbenutzung der Datenbank

3 5 8.1 Was ist ein Datenbanksystem? Relational vs. objektorientiert Relationales Datenbanksystem (RDBS) Dem Datenbanksystem liegt ein relationales Datenmodell zugrunde Heute das am meisten verwendete Datenmodell Verwendung einer relationalen Datenbank in vielen objektorientierten Anwendungen Objekt-relationale Abbildung (object relational mapping) Objektorientiertes Datenbanksystem (ODBS) Objektorientiertes Datenmodell Homogene objektorientierte Entwicklung möglich Alle Objekte der Anwendung lassen sich direkt in der Datenbank speichern Was ist ein Datenbanksystem? Vergleich von relationalen und objektorientierten Datenbanksystemen Objekte der Anwendung Objektrelationale Abbildung Relationale Datenbank Objektorientierte Datenbank

4 7 Tabelle Relationale Datenbanken speichern Daten in Form von Tabellen (Relationen) Jede Zeile der Tabelle (Tupel) repräsentiert ein Objekt der Klasse Alle Tupel einer Tabelle müssen gleich lang sein Die Reihenfolge der Attribute spielt keine Rolle Schlüssel Attribut Artikel Nummer Bezeichnung Preis Artikel Nummer Bezeichnung Preis Tupel 8 Schlüsselattribut Identifizierung eines Tupels durch einen eindeutigen Schlüssel Schlüssel (oder Primärschlüssel) kann aus einem oder mehreren Attributen bestehen Hinzufügen eines künstlichen Schlüsselattributs, wenn kein fachliches Attribut als Schlüsselattribut verwendet werden kann z.b. eine Nummer Grafische Darstellung einer Tabelle Schlüssel wird unterstrichen

5 9 Schlüssel vs. Objektidentität Schlüsselattribute... unterscheiden sich äußerlich nicht von anderen Attributen müssen explizit verwaltet werden Objektidentität... gehört implizit zu jedem Objekt (object identifier, ) 10 Fremdschlüssel Realisierung von Assoziationen durch Schlüssel-Fremdschlüssel-Beziehungen Lieferant Firma Ansprechpartner 1 * Artikel Nummer Bezeichnung Preis Schlüssel Lieferant Nummer Firma Ansprechpartner Fremdschlüssel Artikel Nummer Bezeichnung Preis L-Nummer

6 11 Fundamentale Integritätsregeln Entitäts-Integrität Schlüsselattribute müssen immer einen Wert besitzen Referentielle Integrität Wenn in einer Tabelle ein Fremdschlüssel vorhanden ist, dann muß der Fremdschlüsselwert auch als Primärschlüsselwert in der korrespondierenden Tabelle vorkommen 12 Normalformen In der Theorie 5 Normalformen In der Praxis Daten sind in der ersten, zweiten oder dritten Normalform Notwendig: Abwägen,»wieviel Normalisierung«sinnvoll ist Erste Normalform: Datenredundanz Dritte Normalform: Schlüsselredundanz

7 13 Erste Normalform Alle Attribute einer Tabelle dürfen keine Wiederholung von Werten (array) und keine internen Datenstrukturen (struct) enthalten Alle Attributwerte müssen von einem elementaren Typ sein Im objektorientierten Modell Normalisierung spielt keine Rolle Bildung von Attributtypen erfolgt ausschließlich unter problemadäquaten Gesichtspunkten 14 Logisches Schema Menge aller Tabellen bildet die relationale Datenbank Eintrag der Tabellenstrukturen im Data Dictionary Ablegen aller persistenten Daten in der Datenbank Realisierung der Funktionalität durch die Anwendungsprogramme Keine Kapselung von Daten und Funktionen Attribute des logischen Schemas sind für den Benutzer und die Anwendungsprogramme sichtbar

8 15 DDL Formale Definition des logischen Schemas durch die Datendefinitionssprache (Data Definition Language, DDL) Standard ist SQL (Structured Query Language) Erzeugung einer Tabelle in SQL durch den create table-befehl Leere Datenbank wird durch Menge aller create table-befehle erzeugt Eintrag jeder definierten Tabelle in das Data Dictionary Löschen einer Tabelle mit dem drop table- Befehl 16 Für jedes Attribut sind Name und Typ anzugeben Attributnamen müssen innerhalb einer Tabelle eindeutig sein Bezeichnung des Attributs bei tabellenübergreifender Betrachtung durch Tabelle.Attribut Schlüssel- und Fremdschlüsselattribute werden in SQL nicht speziell gekennzeichnet Muß-Attribut Kennzeichnung eines Attributs mit not null Attribut muß bereits beim Erzeugen des Tupels einen Wert besitzen Muß-Assoziation Fremdschlüssel mit not null kennzeichnen

9 17 Beispiel create table Lieferant ( Nummer number(5) not null, Firma char(30) not null, Ansprechpartner char(30)); create table Artikel ( Nummer number(5) not null, Bezeichnung char (30) not null, Preis number (8,2), L_Nummer number (5) not null); 18 DML Füllen und Ändern der Datenbank mit Hilfe der Datenmanipulationssprache (Data Manipulation Language, DML) Auch hier ist SQL Standard DML enthält weder Kontrollstrukturen noch Prozedurkonzepte Erstellung umfangreicher Programme ist problematisch Sinnvoll ist Kombination der DML mit einer klassischen Programmiersprache (z.b. C++)

10 19 Generische Operationen Semantik ist nicht anwendungsspezifisch insert into Artikel values (4711, 'Notizblock', null); update Artikel set Preis = 4.95 where Nummer = 4711; delete from Artikel where Nummer = 4711; 20 Select-Befehl für flexible Anfragen (queries) Selektion Wählt Tupel (Zeilen) aus einer Tabelle aus Projektion Auswahl bestimmter Spalten einer Tabelle Häufig Kombination von Projektion und Selektion Natürlicher Verbund (natural join) Verknüpfung von zwei oder mehrere Tabellen über gemeinsame Attribute

11 21 Selektion Ergebnis einer Selektion können alle Zeilen der Tabelle sein Im allgemeinen werden Tupel nach einer Bedingung gefiltert Abfragen von Werten oder Überprüfung des Vorhandenseins von Werten select * from Artikel; select * from Artikel where Preis >= 100; select * from Artikel where Preis is null; 22 Projektion Angabe der gewüschten Attribute Angabe von distinct Keine Erzeugung von Duplikaten von Datensätzen select distinct Bezeichnung, Preis from Artikel; select distinct Bezeichnung, Preis from Artikel where Preis is not null;

12 23 Natürlicher Verbund (natural join) Join-Attribute werden in der Ergebnistabelle nur einmal aufgeführt select Lieferant.Nummer, Firma, Bezeichnung, Preis from Lieferant, Artikel where Artikel.L_Nummer = Lieferant.Nummer; select Lieferant.Nummer, Firma, Bezeichnung, Preis from Lieferant, Artikel where Artikel.L_Nummer = Lieferant.Nummer and Artikel.Preis < 100; 24 Externe Schemata bzw. Sichten (views) Benutzergruppen oder Anwendungsprogramme sollen oft nur definierte Ausschnitte des logischen Schemas sehen Ableitung von externen Schemata aus dem logischen Schema Ablegen der externen Schemata im Data Dictionary Definition einer Sicht bedeutet kein mehrfaches Ablegen der Daten in der Datenbank Daten werden bei einer Abfrage neu aufgebaut Sicherstellen, daß sich jede Sicht (view) stets auf die aktuellen Daten bezieht

13 25 Erzeugen einer Sicht in SQL Ableitung aus einer oder mehreren Basistabellen und vorhandenen Sichten Löschen der Sichten mit dem drop view-befehl Befehl hat keinen Einfluß auf die Originaltabelle create view Billigartikel as select * from Artikel where Preis < 100; create view ArtikelOhnePreis as select Nummer, Bezeichnung from Artikel; 26 Index Verwendung Zur Steigerung der Performance Zur Sicherstellung der Eindeutigkeit von Schlüsselattributen Datenbanksystem benutzt bei allen Anfragen den jeweiligen Index Ohne Index durchsucht das DBS eine Tabelle von Anfang bis Ende, um gewünschte Tupel zu finden Daher Anlegen von Indizes für alle Attribute, die häufig in where-klauseln von select-befehlen auftreten Anlegen von Indizes für Schlüsselattribute

14 27 Beispiele Index zur Sicherstellung der Eindeutigkeit von Schlüsselattributen Jede Artikelnummer wird nur einmal vergeben create unique index Artikelnummer on Artikel(Nummer); Index zur Steigerung der Performance Zugriff auf Attribut Firmaoptimieren create index Lieferantenfirmen on Lieferant(Firma); 28 Objekt-relationale Abbildung 1 Klasse? 1 Tabelle 1 Klasse? n Tabellen n Klassen? 1 Tabelle Grafische Notation für Tabellen Tabelle1 Schlüssel Attribut1 Attribut2 Tabelle2-Schlüssel Tabelle2 Schlüssel Attribut1 Attribut2 Attribut3

15 29 Abbildung einer Klasse auf eine Tabelle Alle Attribute der Klasse sind vom elementaren Typ Klasse erfüllt die erste Normalform Abbildung auf eine einzige Tabelle Artikel Nummer Bezeichnung Preis Artikel Nummer Bezeichnung Preis Object Identifier = Schlüssel 30 -Attribut Erweiterung jeder Tabelle um ein -Attribut, das die Rolle des Schlüsselattributs spielt -Attribute dürfen keinesfalls eine semantische Bedeutung besitzen Drei Stufen der Eindeutigkeit beim -Attribut Eindeutigkeit innerhalb einer Tabelle Eindeutigkeit innerhalb einer Vererbungshierarchie Eindeutigkeit innerhalb der Datenbank Bietet größte Flexibilität Jedes Tupel einer jeden Tabelle in der Datenbank besitzt einen eindeutigen -Wert

16 31 Abbildung der Attribute Vor der Abbildung Überprüfung, welche Attribute einer Klasse persistent sein sollen Abgeleitete Attribute werden meistens berechnet und sind nicht dauerhaft zu speichern Einfache Attribute Attribut einer Klasse wird auf ein Attribut einer Tabelle abgebildet Strukurierte Attribute Strukturierte Attribute müssen in Komponenten zerlegt werden, die vom einfachen Typ sind 32 Abbildung einer Klasse mit strukturierten Attributen (elementaren Klassen) auf Tabellen Kunde Nummer: String Name: NameT Adresse: AdresseT NameT Vorname Nachname Strasse PLZ Ort AdresseT Kunde Nummer Vorname Nachname Adresse- Strasse PLZ Ort Adresse

17 33 Abbildung einer Klasse mit Listenattributen (elementaren Klasse) auf Tabellen Student Matrikelnr : String Nachname: String Noten: list of NoteT NoteT Fach Wert Matrikelnr Nachname Fach 1 Wert 1 Fach 2 Wert 2 Fach 3 Wert 3 Student ODER Student Matrikelnr Nachname Note Fach Wert Student- 34 Klassenattribut Speicherung nur einmal für alle Objekte einer Klasse Daher Keine Integration in»normale«tupel einer Tabelle Eintrag in eine separate Tabelle

18 35 Abbildung einer Assoziation 1:1-Assoziation Eintrag je nach benötigter Navigation in einer oder beiden Tabellen als Fremdschlüssel not null bei Muß-Verbindungen unidirektionale 1:1-Assoziation A b1 B A B b1 A- bidirektionale 1:1-Assoziation A b1 B A B- B b1 A- 36 Abbildung der 1:m-Assoziation»Verschmelzen«der Assoziation A 1 * b1 B A B b1 A- EigeneTabellefür Assoziation A 1 * b1 B A B b1 A- AB A- B-

19 37 Verschmelzen der Assoziation mit der Tabelle Weniger Tabellen Zugriff auf Objekte erfolgt schneller, weil weniger Tabellen durchlaufen werden Abbilden der Assoziation auf separate Tabelle Das Wissen, welche Objekte einander kennen, ist nicht mit den Objekten selbst verwoben Einfache Änderung, wenn aus der 1:m- Assoziation eine m:m-assoziation wird Kombination aus beiden Möglichkeiten Vorteil: Reduzierung der Anzahl der joins Nachteil: Zusätzliche Konsistenzmaßnahmen 38 m:m-assoziation / Assoziative Klasse A 1..* * b1 B C c1 c2 A C c1 c2 A- B- b1 B

20 39 m:m-assoziation Immer auf separate Tabelle abbilden Primärschlüssel dieser Tabelle setzt sich aus den Schlüsseln der beteiligten Tabellen zusammen Vorteilhaft ist eigenes -Attribut für diese Tabelle Gleichbehandlung aller Tabellen Vereinfachung der Implementierung Bessere Laufzeit-Effizienz Bei einigen Datenbanken können bei joins von Tabellen mit zusammengesetzten Schlüsseln Probleme auftreten 40 Assoziative Klasse Attribute der assoziativen Klasse werden ebenfalls in eine separate Tabelle eingetragen Auch bei einer 1:1- oder einer 1:m- Assoziation sollten assoziative Klasse auf eine eigene Tabelle abgebildet werden Sofern sie nicht nur aus einem oder zwei Attributen bestehen

21 41 Abbildung der Komposition Funktionalität des Ganzen wirkt sich auch auf seine Teile aus Gleiches gilt für das Speichern und Löschen von Objekten in der Datenbank Jedes Ganze muß seine Teile kennen Unterschied zwischen einer einfachen Assoziation und einer Komposition aus Sicht einer Datenbank Stärkere Kopplung zwischen den beteiligten Objekten bei Komposition 42 b1 c1 c2 A Vererbungsstrukturen 1 B A C 2 b1 B c1 c2 C b1 c1 c2 A 3 b1 B c1 c2 C

22 43 Abbildung der Einfachvererbung 1. Eine Tabelle für gesamte Vererbungshierarchie Attribute, die ein Tupel nicht annehmen kann, müssen auf null gesetzt werden Vorteile Ad hoc-anfragen sind einfach Keine joins notwendig Nachteile Erhöhung der Kopplung innerhalb der Hierarchie Bei Erweiterung einer Klasse um ein neues Attribut sind alle Objekte davon betroffen Speicherplatzverschwendung Tabelle enthält viele null-werte Vernachlässigbar bei kleinen Hierarchien 44 Abbildung der Einfachvererbung 2. Eine Tabelle für jede konkrete Klasse Vorteil Ad hoc-anfragen sind relativ einfach Nachteil Attribute der abstrakten Oberklasse sind in mehreren Tabellen vorhanden Bei Modifizierung der Attribute sind alle betroffenen Tabellen zu aktualisieren

23 45 Abbildung der Einfachvererbung 3. Eine Tabelle für jede Klasse (auch für abstrakte) Gemeinsames -Attributs stellt Identität eines Objekts in der Hierarchie sicher Vorteile Entspricht am besten dem objektorientierten Konzept Änderungen in der Oberklasse sind mit minimalem Aufwand durchführbar Neue Attribute können in allen Klassen einfach ergänzt werden Nachteil Viele Tabellen in der Datenbank Viele joins (langsamer Zugriff) Ad hoc-anfragen sind schwieriger zu formulieren 46 Vergleich von Abbildungsstrategien der Einfachvererbung Betrachteter 1Tabelle für 1 Tabelle für 1 Tabelle für Faktor gesamte jede konkrete jede Klasse Hierarchie Klasse Einfachheit der Implementierung einfach mittel schwierig Einfachheit des Datenzugriffs einfach einfach mittel/einfach Kopplung sehr hoch hoch gering Geschwindigkeit des Datenzugriffs schnell schnell mittel/schnell Unterstützung des Polymorphismus mittel gering hoch

24 47 Aufgabe 1 Unterschiede des relationalen und objektorientierten Modells erkennen a. Erläutern Sie den Unterschied zwischen dem Schlüsselattribut einer relationalen Datenbank und der Objektidentität im objektorientierten Modell. b. Erläutern Sie den Unterschied zwischen einer Assoziation und der Schlüssel-Fremdschlüssel- Beziehung. c. Erläutern Sie, warum bei einem objektorientierten Modell die erste Normalform nicht eingehalten werden muß. d. Was ist ein -Attribut und welche Vorteile ergeben sich durch dessen Verwendung bei einer relationalen Datenbank? 48 Aufgabe 2 Wichtige Begriffe von relationalen Datenbanksystemen kennen a. logisches Schema b. externes Schema c. DDL d. DML e. SQL

25 49 Aufgabe 3 Objekt-relationale Abbildung durchführen Bilden Sie die folgende Klasse Studentische Hilfskraft auf Tabellen ab 7-stellige Matrikelnummer Name bestehend aus Vorname und Nachname Adresse bestehend aus Straße, PLZ und Ort Liste aller Arbeitsverträge, wobei für jeden Arbeitsvertrag Beginn, Ende und vereinbarte Stundenzahl gespeichert wird Aktueller Stundenlohn, der für alle studentischen Hilfskräfte gleich ist (Klassenattribut) Menge der Arbeitsverträge ist unbegrenzt Stundenlohn wird nur einmal gespeichert 50 Aufgabe 4 Objekt-relationale Abbildung durchführen Lieferkondition EK-Preis Lieferfrist Lieferant Name Adresse:AdresseT Telefon * * Artikel 1 * Bestellung Nummer Datum 1 1..* Position Nummer Bezeichnung VK-Preis 1 * Anzahl Lagerartikel Mindestmenge Bestand AdresseT Strasse PLZ Ort

26 51 Aufgabe 5 DDL und DML (SQL) anwenden können a. Definieren Sie für die Aufgabe 4 das logische Schema. Gehen Sie davon aus, daß Bestell- und Artikelnummern jeweils eindeutig sind. b. Erstellen Sie folgendes externe Schema: Liste aller Artikel, auch der Lagerartikel, die in höchstens einer Woche geliefert werden können. Das Schema soll enthalten: Artikelnummer, Artikelbezeichnung, Lieferantenname und EK-Preis für diesen Lieferanten. 52 Aufgabe 5 c. Formulieren Sie folgende Anfrage: Benötigt wird eine Liste aller Lagerartikel, bei denen die Mindestmenge unterschritten ist. Die Liste soll enthalten: Nummer, Bezeichnung, Bestand, Mindestmenge. d. Formulieren Sie folgende Anfrage: Für jeden Lieferanten ist eine Liste der von ihm gelieferten Artikel mit EK-Preis und Lieferfrist zu erstellen. Die Liste soll folgende Angaben enthalten: Lieferantenname, Artikelbezeichnung, EK-Preis und Lieferfrist.